嵌入式系統(tǒng)概述.ppt

1、1,嵌入式系統(tǒng) An Introduction to Embedded System 第1課 嵌入式系統(tǒng)概述 陳文智 chenwz 浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 2009年4月,2,提綱, 嵌入式系統(tǒng)概念 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程 嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成要素 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域 浙大嵌入式系統(tǒng)教學(xué) 浙大嵌入式系統(tǒng)科研,3,嵌入式系統(tǒng)定義,嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用可剪裁軟硬件，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能,4,5,計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的劃分,桌面通用型,高端服務(wù)型,小型專用型,6,嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(1/7

2、),嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行的任務(wù)是專用而確定的 心臟監(jiān)視器只需運(yùn)行信號(hào)輸入、信號(hào)處理、心電圖顯示任務(wù) 如要更改任務(wù)，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或在線維護(hù),桌面通用系統(tǒng)需要支持大量的、需求多樣的應(yīng)用程序 對(duì)系統(tǒng)中運(yùn)行的程序不作假設(shè) 程序升級(jí)、更新等方便,7,嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(2/7),嵌入式系統(tǒng)往往對(duì)實(shí)時(shí)性提出較高的要求。 實(shí)時(shí)系統(tǒng)：指系統(tǒng)能夠在限定的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)提供所需水平的服務(wù)。（POSIX 1003.b ） 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)可分為： 強(qiáng)實(shí)時(shí)型：響應(yīng)時(shí)間sms級(jí)； 一般實(shí)時(shí)：響應(yīng)時(shí)間mss級(jí)； 弱實(shí)時(shí)型：響應(yīng)時(shí)間s級(jí)以上。,8,嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(3/7),嵌入式系統(tǒng)中使用的

3、操作系統(tǒng)一般是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)數(shù)量眾多，如： VxWorks Windows CE pSOS QNX 國(guó)產(chǎn)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如： HOPEN DeltaOS 。OS,9,嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(4/7),嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行需要高可靠性保障，比桌面系統(tǒng)的故障容忍能力弱很多,嵌入式系統(tǒng)需要忍受長(zhǎng)時(shí)間、無(wú)人值守條件下的運(yùn)行 嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境惡劣,10,嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(5/7),嵌入式系統(tǒng)大都有功耗約束。 如：珍貴文物微氣象環(huán)境監(jiān)測(cè) 要求1分鐘采樣一次，每個(gè)采樣節(jié)點(diǎn)采用電池供電，1年更新一次。采用常規(guī)的方法，能量只能持續(xù)工作5天！ 引入間歇工作方式，從而降低功

4、耗，節(jié)省能量。,11,嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(6/7),嵌入式系統(tǒng)比桌面通用系統(tǒng)可用資源少得多 為降低系統(tǒng)成本，降低功耗，嵌入式系統(tǒng)的資源配置遵循夠用就行！,嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需要專用工具和特殊方法： 開(kāi)發(fā)：交叉編譯、交叉鏈接 調(diào)試：仿真器、虛擬機(jī) 更新：在線升級(jí)等,12,嵌入式系統(tǒng)與桌面通用系統(tǒng)的區(qū)別(7/7),嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)綜合的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：狀態(tài)控制器、中斷控制器處理 匯編語(yǔ)言：操縱外圍設(shè)備、端口 操作系統(tǒng)：設(shè)置運(yùn)行任務(wù)、通訊、互斥 編譯原理：交叉編譯、bootloader加載,13,提綱, 嵌入式系統(tǒng)概念 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程 嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成要素 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)

5、域 浙大嵌入式系統(tǒng)教學(xué) 浙大嵌入式系統(tǒng)科研,14,嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程,嵌入式系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，40多年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)蓬勃發(fā)展，市場(chǎng)迅猛擴(kuò)大，已深入生產(chǎn)和生活的各個(gè)角落。 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的三個(gè)階段 嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和興起 （19601970） 嵌入式系統(tǒng)走向繁榮，軟件、硬件日臻完善（19711989） 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用走向縱深化發(fā)展 （1990至今）,15,嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和興起,第一代電子管計(jì)算機(jī)(19461957年)，無(wú)法滿足嵌入式計(jì)算所要求的體積小、重量輕、耗電少、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等一系列要求。 60年代，第二代晶體管計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開(kāi)始應(yīng)

6、用： 第一臺(tái)機(jī)載專用數(shù)字計(jì)算機(jī)是美國(guó)海軍艦載轟炸機(jī)“民團(tuán)團(tuán)員”號(hào)研制的多功能數(shù)字分析器(Verdan)。 1962年美國(guó)乙烯廠實(shí)現(xiàn)了工業(yè)裝置中的第一個(gè)直接數(shù)字控制。 19651970年，第三代集成電路化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用： 第一次使用機(jī)載數(shù)字計(jì)算機(jī)控制：1965年發(fā)射的Gemini3號(hào) 第一次通過(guò)容錯(cuò)來(lái)提高可靠性：1968年阿波羅4號(hào)、土星5號(hào)。,16,嵌入式系統(tǒng)走向繁榮，軟、硬件日臻完善,嵌入式系統(tǒng)的大發(fā)展是在微處理問(wèn)世之后： 1971年11月，Intel公司推出了第一片微處理器Intel4004。 人們?cè)僖膊槐貫樵O(shè)計(jì)一臺(tái)專用機(jī)而研制專用的電路、專用的運(yùn)算器了，只需以微處理器為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 1

7、976年，第一個(gè)單片機(jī)Intel 8048出現(xiàn)。 1982年，第一個(gè)DSP出現(xiàn)，比同期的CPU快1050倍。 80年代后期，第三代DSP芯片出現(xiàn)。 軟件技術(shù)的進(jìn)步使嵌入式系統(tǒng)日臻完善： 早期嵌入式系統(tǒng)：采用匯編語(yǔ)言，基本不采用操作系統(tǒng) 硬件的提升 軟件技術(shù)發(fā)展,17,嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用走向縱深化發(fā)展,應(yīng)用充分普及：工業(yè)控制、數(shù)字化通訊、數(shù)字化家電 汽車(chē)：50個(gè)以上嵌入式微處理器 飛機(jī)：70個(gè)以上嵌入式系統(tǒng) 嵌入式微處理器32位、64位 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使用比率越來(lái)越高 早期：10；90年代初：30；目前：8090 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具越來(lái)越豐富 嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈形成,18,嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈,19,

8、嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模及平均增長(zhǎng)率（20032006）,20,嵌入式軟件系統(tǒng)生命周期發(fā)展,21,提綱, 嵌入式系統(tǒng)概念 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程 嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成要素 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域 浙大嵌入式系統(tǒng)教學(xué) 浙大嵌入式系統(tǒng)科研,22,嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu),嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)（可選），以及用戶的應(yīng)用軟件系統(tǒng)等四個(gè)部分組成,23,一個(gè)典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,24,嵌入式微處理器,1000多種硬件處理器，分為MCU、DSP、MPU、SOC ARM RISC （ARM） TMS320 DSP（TI） Trimedia （Philips） StrongARM （Intel） Xsc

9、ale （Intel） MIPS RISC （MIPS） DragonBall（Motorola）,25,外圍硬件設(shè)備 （1/2）,片外總線：連接系統(tǒng)各個(gè)部件，進(jìn)行互連和傳輸信息的信號(hào)線。 ESIA總線、SCSI總線、PCI總線 AMBA總線：ARM研發(fā)的總線規(guī)范 專用總線 CompactPCI總線：工業(yè)控制 CAN總線：汽車(chē)電子總線 1553B總線：航空工業(yè)總線 電子盤(pán)：采用flash芯片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，體積小、功耗低、抗震 DOC：Disk on Chip DOM：IDE電子盤(pán) CF：CompactFlash SM：Smart Media MS：Memory Stick,26,外圍硬件設(shè)備 （2

10、/2）,I/O設(shè)備 A/D、D/A 中斷控制器 UART LCD 通訊設(shè)備 有線通訊：IEEE1394、USB 無(wú)線通訊：IrDA、Bluetooth、802.11b/g,27,嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),典型的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS） 近200種操作系統(tǒng)，VxWorks、QNX、WinCE、PalmOS 面向SOC的操作系統(tǒng)：Symbian的Epoc、Express Logic的ThreadX、ATI的Nucleus 開(kāi)放源碼的操作系統(tǒng)：Linux系列、uC/OS 典型性能指標(biāo) 內(nèi)核大小：幾K幾百K； 調(diào)度時(shí)間片：1ms； 實(shí)時(shí)任務(wù)響應(yīng)時(shí)間：2040微妙 一般任務(wù)響應(yīng)時(shí)間：20微妙幾百毫秒,2

11、8,提綱, 嵌入式系統(tǒng)概念 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程 嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成要素 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域 浙大嵌入式系統(tǒng)教學(xué) 浙大嵌入式系統(tǒng)科研,29,嵌入式技術(shù)的應(yīng)用手機(jī),韓國(guó)電信手機(jī)/電視遙 控器二合一產(chǎn)品,Sony Ericsson超小型手機(jī)電 腦手機(jī)放在底座上成為電腦,Nokia手機(jī)戶外音響,內(nèi)置 DVB-H 移動(dòng)電視手機(jī),普通手機(jī) 智能手機(jī) 與PDA結(jié)合,30,智能家居 智能家電,Roto-Rooter公司馬桶 組合筆記本/ipod/冰 箱/Xbox360/健身,高科技的捕鼠器 遮斷紅外線光束掉下籠子,DangerBomb 鬧鐘 不起床就爆炸啰,配備電子食譜 的鍋鏟coo.boo,智能型垃 圾桶 i.

12、Master,浙江大學(xué)智能割草機(jī),浙江大學(xué)顯示營(yíng)養(yǎng)智能果汁機(jī),嵌入式技術(shù)的應(yīng)用智能家居,31,嵌入式技術(shù)的應(yīng)用PDA,個(gè)人信息助理 掌上電腦,PDA 手機(jī) + GPS 導(dǎo)航 Dopod U1000，且支持SkyPE,Map-Star的GPS定位設(shè)備,華碩GPS導(dǎo)航器,SONY GPS導(dǎo)航器,Nokia 6110 四頻 HSDPA / GPS 導(dǎo)航器,32,嵌入式技術(shù)的應(yīng)用PMP,iLuv可即時(shí)將視頻錄制到iPod/ 閃存卡上，與以前技術(shù)相反,Sony家用影音綜合設(shè)備,XtremeMac開(kāi)發(fā)的iPod音箱,IPEVO支持Skype電話,Nike的 iPod 帽,Meizu M8,Ipod nan

13、o,Archos帶 Wifi的704,Portable Media Player,33,錄音筆 FLY數(shù)字筆 能“看懂”在專用紙上所寫(xiě)的內(nèi)容 能“閱讀”寫(xiě)作和糾正語(yǔ)法錯(cuò)誤 完成簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算 將英文互相翻譯成西班牙文等 Genius數(shù)字便箋 存儲(chǔ)100頁(yè)便箋 2000LPI分辨率 32MB板載內(nèi)存 可通過(guò)USB連接電腦 筆跡識(shí)別軟件 Polymer Vision手機(jī)書(shū),嵌入式技術(shù)的應(yīng)用辦公用品,34,嵌入式技術(shù)的應(yīng)用手表,Martin Frey手表 日程表 和手機(jī)聯(lián)動(dòng) 獲取網(wǎng)絡(luò)連接和GPS定位信息 手表手機(jī)：M300 1英寸的顯示屏 USB接口 可播放音樂(lè) 支持藍(lán)牙 Nike的Speed+手表

14、 結(jié)合 iPod 和運(yùn)動(dòng)計(jì)測(cè) 韓國(guó)防性罪犯的電子手鐲 可追蹤罪犯的定位和坐標(biāo) 愛(ài)國(guó)者視頻MP4手表,35,嵌入式技術(shù)的應(yīng)用運(yùn)動(dòng)玩具游戲,GTX公司定位的運(yùn)動(dòng)跑鞋 內(nèi)置的GPS接收器和可充電電池 遙控蜻蜓 次世代三大主流 三款主機(jī)Xbox 360，WII，PS3,GameCube,XboX360,PS3,Wii, 手柄, 手套, 槍,36,嵌入式技術(shù)的應(yīng)用攝像器材,數(shù)碼相機(jī) DV,37,嵌入式技術(shù)的應(yīng)用多媒體終端,IP電話 視頻會(huì)議 可視電話,基于視頻電話 的小型視頻會(huì) 議系統(tǒng)(MCU),語(yǔ)音識(shí)別電話,基于H.323協(xié)議族 的網(wǎng)絡(luò)視頻電話,38,嵌入式技術(shù)的應(yīng)用家庭音響,引入計(jì)算機(jī)技術(shù)的音響,配

15、備B&O與Core 2 Duo的P.Guerra家庭影院,Sonos ZP80無(wú)線音響,LG HD DVD/藍(lán)光播放器,Motorola支持M卡的 HD DVR 錄像機(jī),iPhone,39,嵌入式技術(shù)的應(yīng)用電視,高清電視 數(shù)字電視 立體顯示技術(shù),LG內(nèi)置數(shù)字錄像機(jī)的 LCD TV,AppleTV: Intel Pentium M 1.0 GHz 2MB of L2 高速緩存 nVidia G72M 顯示卡 64MB DDR2 內(nèi)存 內(nèi)置的 40GB 硬盤(pán) 播放 iTunes,能輸出 1080p 高畫(huà)質(zhì) 影像的 iPod Dock,數(shù)字電視機(jī)頂盒,40,嵌入式技術(shù)的應(yīng)用通訊設(shè)備,有計(jì)算機(jī)能力的各

16、種通訊設(shè)備 路由器/交換機(jī)/防火墻等,Buffalo 路由器 / USB 網(wǎng)卡套裝,VPN產(chǎn)品,千兆網(wǎng)關(guān)防火墻,41,嵌入式技術(shù)的應(yīng)用儀器儀表,DCG (動(dòng)態(tài)心電圖儀) 便攜式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀 中醫(yī)指套傳感器脈象虛擬儀器 推拿手法測(cè)試儀 電動(dòng)機(jī)故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng),監(jiān)控儀,手持儀,42,嵌入式技術(shù)的應(yīng)用交通相關(guān),汽車(chē)電子 處理器個(gè)數(shù)可達(dá)三位數(shù) 車(chē)載 娛樂(lè)，定位等 車(chē)控 ABS、EBD等 其他,中國(guó)版月球車(chē),汽車(chē)立體聲音 響HD Radio擴(kuò)展包,改裝遮陽(yáng)板 DVD / TV / MP3,43,嵌入式技術(shù)的應(yīng)用軍工,武器控制系統(tǒng) 數(shù)字化單兵系統(tǒng) 有苛刻要求 尺寸和重量 功率消耗 震動(dòng)和沖擊 溫度和濕

17、度,21世紀(jì)部隊(duì)旅及旅以下作戰(zhàn)指揮系統(tǒng) 夜視掃描、全球定位、指揮通信,44,嵌入式技術(shù)的應(yīng)用新興硬件,GPS/藍(lán)牙雙拼模塊芯片,龍芯2號(hào)增強(qiáng)型處理器芯片,Intel進(jìn)入 二十倍數(shù) 時(shí)代，五 年后給我 們八十核 心處理器,服用的 RFID 芯片,Intel Tolapai計(jì)劃要把南北橋做在芯片中,45,提綱, 嵌入式系統(tǒng)概念 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程 嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成要素 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域 浙大嵌入式系統(tǒng)教學(xué) 浙大嵌入式系統(tǒng)科研,46,課程 應(yīng)該扮演 什么角色 ？,領(lǐng)域多樣性,教學(xué)多樣性,實(shí)現(xiàn)多樣性,通訊 汽車(chē)電子 信息家電 消費(fèi)產(chǎn)品 其它,控制 電子工程 計(jì)算機(jī) 信電 儀器儀表,硬件 系統(tǒng)軟件 應(yīng)用

18、軟件 綜合,47,嵌入式系統(tǒng)課程的地位,嵌入式系統(tǒng)理論 嵌入式體系結(jié)構(gòu) 嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式軟件開(kāi)發(fā),計(jì)算機(jī)組成,操作系統(tǒng)原理,計(jì)算體系結(jié)構(gòu),信號(hào)與系統(tǒng),程序設(shè)計(jì),實(shí)時(shí)系統(tǒng),分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng),軟件硬件協(xié)同,機(jī)器人,其它研究熱點(diǎn),文獻(xiàn)閱讀,項(xiàng)目,實(shí)驗(yàn),。,競(jìng)賽,48,2002年,2003年,浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)系開(kāi)始開(kāi)設(shè)微機(jī)課程,在軟件學(xué)院開(kāi)設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程,教學(xué)組成員多次參加INTEL全國(guó)高校嵌入式教學(xué)研討會(huì),2004年,與IBM展開(kāi)嵌入式，操作系統(tǒng)等相關(guān)課程聯(lián)合教學(xué),2004-2006,自編講義和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū),陸續(xù)出版相關(guān)的教材,2007年,不斷豐富和改革實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、建立了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境,開(kāi)設(shè)歷史,微軟教育部精品課程”和“教育部英特爾精品課程”,國(guó)家精品課程,49,教材與教學(xué)內(nèi)容,自編教材為主、國(guó)內(nèi)優(yōu)秀教材和規(guī)劃